氧化钇稳定氧化锆超细粉末的制备和性能.docx

氧化钇稳定氧化锆超细粉末的制备和性能赵文广安胜利张丽英安立国(包头钢铁学院)摘 要采用共沉淀法制备 3mol % Y2 O3 - ZrO2 超细粉末 ,使用乙醇或丙酮洗涤沉淀 ,以消除颗粒团聚 。应用 D TA 热分析仪 、颗粒度分析仪和 X 光衍射仪研究分析了粉末的热分解特性 、颗粒大小和分布以及相组成 。实验结果表明 ,粉末平均颗粒直径小于 0 . 5m ,在 650 下处理的氧化钇稳定氧化锆超细粉末以单斜 - 四方晶型存在 。关键词氧化钇稳定氧化锆 超细粉末 粉末颗粒度分布 相组成粉料特性对氧化锆陶瓷材料的性能有着十分重要的影响 。要想获得高性能的陶瓷材料 ,使用超细度 、高活性 、颗粒度分布集中 、团聚小的粉体原料是必经之路1 ,2 ,这样不仅 能降低烧结温度 ,节约能源 ,而且可以大大提高其制品的性能 ,包括力学性能 、热稳定性和抗热震性等 。近年来 ,以共沉淀方法为代表的化学合成法 ,因具有设备简单 、操作方便 、成本低廉等 特点 ,受到广泛的关注 。共沉淀方法包括沉淀和溶剂脱除法两类 ,可以制备组成精确 、超 细度 、高纯度 、高均匀性的粉体原料 ,并在工业生产中将有广泛的应用前景 。本文对共沉淀法制备 3 mol %氧化钇稳定氧化锆超细粉末工艺过程进行了研究 ,并对 沉淀洗涤方式 、热分解特性 、粉末颗粒度分布和相组成进行了分析讨论 。实验部分1 . 1原料及试剂氧氯化锆 ( ZrOCl2 8 H2 O) ,工业纯 ;氧化钇 ( Y2 O3 ) ,分析纯 ;其余所用试剂均为分析纯 或化学纯 。1 . 2氧化钇稳定氧化锆超细粉末的合成共沉淀法制备氧化钇稳定氧化锆超细粉 末分为溶解 、共沉淀 、干燥和热分解等步骤 ,其工艺流程如图 1 所示 。(1) 溶解 : 将氧氯化 锆 ( ZrOCl2 8 H2 O ) 溶 解于蒸馏水中 ,制成 0 . 5 mol/ L 的水溶液 。此溶液呈酸性 (p H = 1) ,在该溶液中加入 Y2 O3 , 图 1 氧化钇稳定氧化锆超细粉末制备工艺流程1内蒙古自然科学基金资助项目1997 年 9 月 10 日收到稿件 ,1998 年 4 月 10 日收到修改稿赵文广 41 岁 硕士 工程师 包头钢铁学院冶金与化学工程系 01401041第 5 期赵文广等 :氧化钇稳定氧化锆超细粉末的制备和性能溶解后得到 Zr4 + 和 Y3 + 的混合溶液 。(2) 沉淀 :在不断搅拌下 ,往上述溶液中加入氨水 , Zr4 + 和 Y3 + 共沉淀生成 Zr ( O H) 4和 Y(O H) 3 。分别用氨水 、无水乙醇或丙酮洗涤数次 ,在 120 下干燥 24 h 。(3) 热分解 :将上述干燥粉末在 650 下焙烧 2 h ,获得氧化钇稳定氧化锆粉末 。1 . 3仪器和测试方法粉末颗粒度分布测定采用日本岛津 SA - CP3 颗粒度分析仪 ,用 0 . 2 %的偏磷酸钠水 溶液作分散剂 ,将粉末在高强度超声波下分散后测定其颗粒度分布和平均颗粒尺寸 。粉 末的 D TA 曲 线 用 PCR - 2 、热 分 析 仪 测 定 , 升 温 速 率 为 10 / min , 最 高 测 量 温 度 为1300 ,采用 Pt Rh10 - Pt 热电偶测温 。粉末的相组成采用 PW1700 X 光衍射仪和 D TA热分析法测定 。将氢氧化物沉淀分别在 80 850 下热处理 4 h ,测定其 X 光衍射谱 ,对 照 X 光衍射谱标准卡片进行标定 ,获得粉末相组成 ,测定条件为 Cu K ,40 kV/ 40 mA 。实验结果分析2 . 1洗涤剂对粉末颗粒度的影响氧化钇稳定氧化锆超细粉末制备过程中 ,粉末的团聚现象是谱遍存在的 。实验证明 ,粉末的团聚现象是降低材料性能的重要原因 ,因此在陶瓷粉末原料制备过程中 ,防止和消 除粉末团聚是非常重要的3 。本文采用有机溶剂丙酮或无水乙醇洗涤沉淀 ,除去沉淀中 的大量的溶剂水来减少和消除粉末颗粒的团聚 。经有机介质洗涤后得到的粉末和未经有 机介质洗涤的粉末颗粒度分布如图 2 。由图可知 ,不经洗涤处理 ,采用直接干燥热 分解 所 获 得 粉 末 颗 粒 度 分 布 出 现 了 双 峰 ( 图2a) ,其中大颗粒尺寸范围内的颗粒的出现证明 颗粒之间产 生 了 团 聚 。经 过 氨 水 洗 涤 处 理 后 ,粉末团聚颗粒明显减少 ( 图 2b) ,虽然仍然出现 颗粒度的双峰分布 ,但两个峰值 ,即单颗粒分布 峰值和团聚颗粒分布峰值都有减小 , 粉末仍有 团聚现象 。图 2c 为经有机介质丙酮或无水乙醇2洗淀后的氧化钇稳定氧 化 锆 粉 末 颗 粒 度 分 布a 不洗涤粉末b 氨水洗涤沉淀粉末c 有机介质洗涤沉淀粉末图 2 不同洗涤剂对粉末颗粒度分布的影响42兵器材料科学与工程第 21 卷图 ,其平均颗粒尺寸为 0 . 5m ,小于 3 . 0m 的颗粒占 100 % ,小于1 . 0m的颗粒占 73 . 5 % 。颗粒度分布表明没有大颗粒出现 ,仅出现在小颗粒尺寸范围内的颗粒 。这说明用有机介 质洗涤沉淀 ,能够很好地消除粉末的团聚现象 。在制备氧化钇稳定氧化锆粉末中 ,应用氨 水洗涤沉淀去除 Cl - 离子以减少粉末颗粒硬团聚已得到证实4 。在制备氧化钇稳定氧化 锆粉末中 ,为了不使 Y2 O3 流失 ,采用 p H 值为 9 的氨水洗涤沉淀 。结果表明氨水洗涤沉 淀后 ,可以减少硬团聚产生 ,但仍不能有效地消除硬团聚颗粒 。而有机溶液作为洗涤介质 时 ,可以消除团聚颗粒的产生 。这是因为洗涤介质的表面张力是团聚产生的关键因素 ,由 Yo ung - L aplace 方程 P = / (1/ R 1 + 1/ R 2 )可知 ,溶液的表面张力越大 ,毛细管力作用越强 。无水乙醇的表面张力 ( 0 . 02239N/ m2 ) 是 水的表面张力 (0 . 07288N/ m2 ) 的三分之一 ,因此无水乙醇的毛细管力也应该是水的毛细 管力的三分之一 ;而丙酮的表面张力更小 ,其毛细管力的作用更低 。故作为消除粉末团聚 颗粒的沉淀洗涤介质 ,有机介质要比氨水效果明显 。2 . 2粉末的脱水 、热分解性质氢氧化物的脱水和热分解是影响粉末颗粒性能的主要步骤 。为了寻求合理的焙烧温 度 ,测试了氢氧化锆沉淀在加热过程中的差热变化规律 ,结果如图 3 所示 。从图 3 可以看出 ,氢氧化锆的脱水和热分解发生在很大的温度范围内 。低于 140 时的吸热峰可以认为是游离水的挥发 ;在 292 时出现的放热峰 ,为粉末由不定型态向晶 态 (立方相) 转变时产生的 ;在 438 时出现的放热峰 ,为立方相向四方相转变所致 。2 . 3粉末的相组成粉末经不同温度下处理的 X 光衍射谱如图 4 。经与标准 X 光衍射卡片比较 ,温度在80 和 200 下处理的粉末完全为无定型态 ;400 下处理的粉末为立方相组成 ; 600 处 理的粉末除立方相外 ,有部分单斜相 ,这是由于该温度下部分立方相转变为四方相 ,而温度降低时 ,四方相失稳转变为单斜相 ,相变反应如下ZrO2 (c)ZrO2 ( t )ZrO2 ( t )ZrO2 ( m)图 3 Zr (O H) 4 粉末的 D TA 曲线图 4 粉末经不同温度处理的 X 光衍射谱图43第 5 期赵文广等 :氧化钇稳定氧化锆超细粉末的制备和性能850 下处理的粉末 ,由立方相 、四方相和单斜相组成 。随着处理温度升高 ,由立方相转变成的四方相颗粒长大 ,低温时更不稳定 ,以致转变为单斜相 ,而一些细小颗粒四方相存在 下来 。粉末合理的相组成和适当尺寸的四方相 、单斜相颗粒 ,对于保证 ZrO2 陶瓷材料具有较高的强度 、韧性起着重要作用5 。结论3(1) 用共沉淀法制备的氧化钇稳定氧化锆超细粉末 ,粉末颗粒平均尺寸小于 0 . 5m ,小于 3 . 0m 的颗粒占 100 % 。采用无水乙醇和丙酮介质洗涤沉淀能很好地消除粉末的团 聚现象 。(2) 粉末热分解温度范围较宽 ,在分解过程中 ,伴随有不定型态向晶态及立方相向四 方相转变的放热过程 。(3) 粉末的相组成决定于热处理温度和颗粒尺寸大小 。氢氧化锆粉末在 650 处理 后 ,完全分解为氧化锆粉末 。参考文献1 Broo k R J . Advances in Ceramics. edited by Claussen N ,1983 ,12 :2722802 Shengli An , Xingfang Wu , Weijiang Wu , Qingguo Liu. Effect of heat t reat ment o n st ruct ure and p rop2erties of MgO - PSZ elect rolyte. Solid State Io nies ,1992 ,57 :31343 安胜利 ,刘庆国 . 氧化镁部分稳定氧化锆超细粉末的制备和性能 . 包头钢铁学院学报 ,1992 ,11 ( 2) :14194 Jo nes S L , Norman C J . J Am Ceram Soc ,1988 ,7 ,C - 190C - 1915 史可顺 . 氧化铝增韧陶瓷及其进展. 硅酸盐通报 ,1988 ,7 (1) :4757SY NTHESIS A ND C HA RACTERISTICS OFY2 O3 STABIL IZED ZrO2 UL TRAFINE POWD ERZhao W en g u a n g , A n S hen gl i , Zha n g L i yi n g , A n L i g uoABSTRACT 3mol % Y2 O3 - ZrO2 ult rafine powder is p repared by chemical cop recipitated met hod. It wasused in t he experiment s t hat Zirco nium hydro xide was washed by et hanol or aceto ne to break t he agglo merate particles. Phase ratio , particle size and t hermal analytical character of t he powder have been st udied by D TA , particle size analyzer and X - ray diff ractio n. It has been shown t hat medium particle size of powder calcined at650 is below 0 . 5m , and co mposed of mo noclinic and tet rago nal p hase.KEYWO RDS Y2 O3